لوله گذاری در دریا (بخش دوم)

بدضعیفمتوسطخوبعالی (3٫00 از 5)
Loading...

قرارداد علامت براي تعيين جهت جريان ثابت مثل همان قراردادي است که براي تعيين هدينگ بارج لوله‌گذار استفاده شد. جهت جريان زاويه‌اي بين بردار سرعت افقي جريان و محور سراسري X است. جهت جريان مثبت است اگر چرخش بردار سرعت جريان حول محور عمودي Y در جهت عقربه‌هاي ساعت باشد هنگاميکه از بالا نگاه شود. جهت صفر درجه متناظر با جرياني است که در جهت مثبت محور X جريان دارد. جهت 90 درجه مربوط به جرياني است که در جهت مثبت محور Z جريان دارد. قرارداد علامت استفاده شده براي جهت جريان در شکل 27 نشان داده شده است.

.                                                             شکل 27) قرارداد علامتها براي جريان آب دريا و موج ها

2-4-3) موج ها
موج ها ميتوانند اثرات مهم و مخربي در عمليات لوله گذاري داشته باشند. اين اثرات حتي ميتوانند باعث توقف عمليات شوند. اگرچه سيستم ايستايي بارج يکي از عوامل مقابله با موج ها است اما دامنه تاثير آن محدود بوده و بخصوص اثر ناچيزي بر حرکات خارج صفحه اي(مثل هيو) دارند. مرجع 14 براي بدست آوردن حرکات ايجاد شده در لوله‌گذار ناشي از موج و همچنين نيروهاي هيدروديناميکي عمل‌کننده به خط لوله و استينگرموج ها را به دو دسته موج منفرد منظم و طيف موج دو بعدي تقسيم ميکند:
1-2-4-3) موج‌هاي با قائده
فرض مي‌شود که يک موج منظم دو بعدي است (که داراي عرض سينه بي‌نهايت است). سرعت و شتاب ذره آب ناشي از موج منظم با استفاده از تئوري موج ايري يا خطي محاسبه مي‌شوند[19]. تئوري موج خطي، براي ارزيابي از تئوري‌هاي موج پيچيده‌تر ارزان‌تر است و ضمناً براي موج‌هاي با ارتفاع ميانه و ملايم که در طي لوله‌گذاري با آن مواجه مي‌شويم مناسب‌تر عنوان شده است. به همين دليل براي آناليز لوله‌گذاري استفاده مي‌شود.
علامت قراردادي استفاده شده به منظور تعيين جهت حرکت يک موج منظم مثل همان است که براي هدينگ لوله‌گذار و جريان ثابت استفاده شد. جهت موج به وسيله زاويه بين بردار افقي که به جهت حرکت موج اشاره مي‌کند و محور X سراسري داده مي‌شود. جهت حرکت مثبت است هرگاه چرخش جهت بردار موج حول محور عمودي Y در جهت حرکت عقربه‌هاي ساعت باشد هنگامي‌که از بالا نگاه شود. جهت صفر درجه متناظر با موجي است که در حال حرکت در جهت محور مثبت X است. جهت 90 درجه متناظر با موجي است که در حال حرکت در جهت مثبت محور Z است. علامت قراردادي استفاده شده براي جهت موج در شکل 27 نشان داده شده است.

2-2-4-3) طيف موج
يک طيف موج ممکن است به وسيله ارجاع يک فرمول استاندارد (پيرسون – موسکويچ، ITTC، برت اشنايدر و . . .) يا به وسيله وارد کردن يک سري از جفت مقادير فرکانس موج و دانسيته طيف در غالب جدول مشخص شود. نمونه يک طيف موج در شکل 28 به صورت گرافيکي توضيح داده شده است. نکته اينکه محور قائم در شکل 28، دانسيته طيف، مربع دامنه مؤلفه‌هاي موج تقسيم بر دو برابر محدوده فرکانس را بيان مي‌کند و محور افقي فرکانس دايروي اجزاي موج در واحد راديان بر ثانيه را بيان مي‌کند.

.                                                                          شکل 28) نمونه يک طيف موج

مرجع 14 يک سري از فرمول‌هاي استاندارد که به کاربر اجازه مي‌دهد به سادگي طيف موج را بر پايه خصوصيات درياي متناظر تعريف کند، تهيه مي‌کند. فرمولهاي پشتيباني شده به وسيله نرم افزار Offpipe عبارتند از:
1) برت اشنايدرA : دانسيته طيفي به عنوان يک تابع از ارتفاع معني دار موج Hs و فرکانس موج در نقطه پيک طيفي ωp تعريف مي‌شود. دانسيته طيفي عبارت است از


S: دانسيته طيفي
ω: فرکانس دايره‌اي مؤلفه موج
ωp: فرکانس دايره‌اي موج در نقطه پيک طيفي
Hs: ارتفاع معني دار موجH1/3

2) برت اشنايدرB : دانسيته طيفي به عنوان يک تابع از ارتفاع معني دار موج Hs و فرکانس موج در نقطه پيک معني دار ωs تعريف مي‌شود. دانسيته طيفي با فرمول زير داده مي‌شود:

ωs: فرکانس (دايروي) معني دار موج.

3) پيرسون ـ موسکويچ : دانسيته طيفي يک درياي کاملاً توسعه يافته به وسيله يک تابع از سرعت باد U در ارتفاع 19.5 متر بالاي سطح آب ساکن تعريف ميشود. دانسيته طيفي با فرمول زير داده مي‌شود

g: ثابت گرانش
U: سرعت باد در 19.5 متر بالاي سطح آب.

4) ITTC: دانسيته طيفي به عنوان يک تابع از ارتفاع معني دار موج Hs تعريف مي‌شود. دانسيته طيفي با فرمول زير داده مي‌شود (سيستم S.I)

5) ISSC : دانسيته طيفي به عنوان يک تابع از ارتفاع معني دار موج Hs و فرکانس ميانگين موج ωm تعريف مي‌شود و با فرمول زير داده مي‌شود

ωm: فرکانس دايروي ميانگين موج

6) JONSWAP: دانسيته طيفي به عنوان يک تابع از ارتفاع معني دار موج Hs و دو ضريب تعريف شده به وسيله کاربر A و B تعريف مي‌شود و به وسيله فرمول زير داده مي‌شود:


توان q به وسيله فرمول زير داده مي‌شود:

ωp : فرکانس دايروي موج در نقطه پيک طيفي
A و B: ضريب تعريف شده توسط کاربر
g: ثابت گرانشي ‌
t: 07/0 اگر ω < ωp و 09/0 اگر ω > ωp

7) فرمول عمومي : دانسيته طيفي به عنوان يک تابع از يک ضريب عمومي تعريف شده به وسيله کاربر،B و توان C تعريف مي‌شود و به وسيله فرمول زير داده مي‌شود:


B: ضريب تعريف شده توسط کاربر
C: توان تعريف شده توسط کاربر

نکته اينکه طيف موج داده شده به وسيله فرمول‌هاي آيتم‌هاي 1 تا 5 بالا همگي داراي يک شکل تابعي هستند. تنها تفاوت بين اين طيف‌ها روشي است که ضرايب و توان‌هاي معادله تعريف مي‌شوند. همچنين توجه کنيد که طيف موج عمومي داده شده به وسيله آيتم 7 بالا شکل تابعي مشابهي با آيتم‌هاي 1 تا 5 دارد و تهيه شده است تا کاربر بتواند يک طيف موج بر پايه چند متغير شرايط دريايي ديگر تعريف کند. اگر شکل‌هاي مشهودتر استاندارد داده شده در آيتم‌هاي 1 تا 5 کافي نباشد.
يک طيف موج از نظر رياضي به وسيله تعداد محدودي از مؤلفه موج ‌هاي گسسته ‌بيان مي‌شود. تعداد مؤلفه‌ موج هاي استفاده شده مي‌تواند به وسيله کاربر مشخص شود. در بسياري از موارد، پانزده (15) تا بيست (20) مولفه موج براي بيان دقيق يک طيف موج کافي است. پروفيل سطح موج و سرعت و شتاب ذره آب، بوجود آمده از موج براي طيف با استفاده از سوپر پوزيشن خطي محاسبه مي‌شوند. مقادير آنها به وسيله جمع ترازهاي سطح و شتاب‌ها و سرعت‌هاي ذره آب ناشي از مؤلفه‌ موج هاي تکي که طيف را مي‌سازند، تعيين مي‌شود. سرعت و شتاب ذره آب براي هر مؤلفه موج با استفاده از تئوري موج خطي يا ايري محاسبه مي‌شوند.
وقتي که يک طيف موج به وسيله يکي از فرمول‌هاي استاندارد محاسبه مي‌شود، فرکانس‌هاي مؤلفه موج به شکلي انتخاب مي‌شوند که تمام مؤلفه‌هاي موج داراي انرژي (دامنه يکسان) برابر باشند. اين روش براي انتخاب فرکانس‌ مؤلفه‌هاي موج تمايل به متمرکز کردن مؤلفه موجها در بخشي از طيف که داراي بيشترين انرژي است، دارد.
هنگامي که يک طيف موج به وسيله يک جدول از فرکانس‌هاي موج و دانسيته‌هاي طيفي تعريف مي‌شود، اين جفت مقادير براي ساخت يک سري از پانل‌هاي ذوزنقه‌اي شبيه آنچه که در شکل 29 نمايش داده شده است استفاده مي‌شوند. اين پانل‌ها يک تخمين پاره خطي به طيف موج را تهيه مي‌کند. بخشي از طيف موج که به وسيله هر پانل بسته شده است، به وسيله يک مؤلفه موج تکي بيان مي‌شود. تعداد مؤلفه‌ موج هاي استفاده شده يکي از تعداد جفت مقادير طيفي وارد شده کمتر است (دو مقدار يک پانل را تعريف مي‌کند، سه مقدار دو پانل را و …). دامنه هر مؤلفه موج چنان انتخاب مي‌شود که مؤلفه موج انرژي برابري را به عنوان بخشي از طيف موج بسته شده به وسيله پانل دارد. فرکانس هر مؤلفه موج متناظر با مرکز سطح پانل انتخاب مي‌شود.

.                        شکل 29) يک طيف موج اختياري ميتواند بوسيله يک جدول از مقادير گسسته براي عرض هاي طيفي تعريف بشود.

جريان گردابي نيز يکي ديگر از شرايط آب و هوايي است که بسيار خطرناک است. اما از آنجا که در مقابل شرايط بيان شده فوق نادر بوده و معمولاً لوله گذاري در چنين شرايطي انجام نميشود در اينجا توضيح داده نميشود.
3-4-3) باد
باد مستقيماً بر قسمت بيروني بارج اثر ميگذارد. اگرچه جريان باد باعث ايجاد و تقويت موج ها نيز ميشود. باد نيز در حالات بحراني ميتواند موجب توقف عمليات شود. اثر باد به سرعت و جهت آن و همچنين به سطح بادگير بارج لوله گذار بستگي دارد. در اينجا باد را نيز همچون جريان دريا افقي در نظر ميگيريم. قرارداد جهت باد افقي همانند جريان آب و موج ها در نظر گرفته ميشود. ضمناً فرض ميشود سرعت و جهت باد در زمان کوتاه تغيير محسوسي نداشته باشد.

4) بارگذاري
تمام نيروهاي وارد به سيستم لوله گذاري در حين عمليات نصب را ميتوان به 2 دسته نيروهاي استاتيکي و ديناميکي تقسيم کرد. نيروهاي ديناميکي را عموماً نيروهاي ناشي از عوامل آب و هوايي و نيروهاي اندرکنشي که منشاء تغيير(در جهت و اندازه) آنها همان عوامل آب و هوايي هستند تشکيل ميدهند. از طرف ديگر نيروهاي وارد بر سيستم لوله گذاري را ميتوان به دسته هاي زير تقسيم کرد:
1-4) نيروهاي وارد بر بارج لوله گذار
برخي از نيروهاي وارد بر بارج لوله گذار در حين نصب خط لوله ميتوانند اثرات بزرگي بر تنشها و تغيير شکلهاي خط لوله داشته باشند. در شرايط عادي نيروهاي زير بر يک بارج وارد ميشوند:
1-1-4) مقاومت در برابر يدک کشيدن
نيرويي است که بايد به بارج لوله گذار وارد شود تا بارج لوله گذار به سمت جلو حرکت کند. در واقع نيرويي که يدک کشها نياز دارند تا بتوانند بارج را به سمت جلو حرکت دهند. اين نيرو از نظر ماهيت يک نيروي پَساي هيدروديناميک است که از حرکت سيال بر جسم جامد ايجاد ميشود. حال اگر جهت و اندازه اين نيروي هيدروديناميک با زمان تغيير کند يک نيروي ديناميکي و در غير اينصورت اثرات استاتيکي بر روي جسم دارد.
مقاومت در برابر يدک کشيدن معمولاً به واسطه ضريبي به نام ضريب پَسا محاسبه مي شود[17]. ضريب فوق از طريق آزمايشات مدل مي تواند بدست آيد. نيروي مذکور به شدت به شکل بدنه بارج (قسمتي که در تماس با سطح آب است) وابسته است. بين يک بارج با بدنه مستطيلي و يک بارج با بدنه کشتي شکل نسبت ضرايب مذکور ميتواند برابر 10 باشد (نمودار شکل 26).

شکل 30) مقاومت تخميني در برابر سرعت بارج به نقل از مرجع 17- منحني مياني مربوط به بارج لوله گذار صدف صدرا 132 است.
نکته مهم اين است که پايداري ايستايي بارج نيز به شکل بدنه بسيار حساس است. بطوري که اگرچه بدنه کشتي شکل مقاومت کمي در برابر سر خوردن بارج دارد، اما پايداري کمي نسبت به حرکات بارج (بخصوص حرکت رُل و سِرج) دارد. همين امر باعث ميشود که عمليات ايستايي به سختي صورت گيرد و تغيير شکلهاي ديناميکي اوليه زيادي به خط لوله وارد شود که تبعات زيادي خواهد داشت. از اينرو طراحان بدنه مستطيلي را ترجيح ميدهند. بارجهاي نيمه زيرآبي نيز که بر روي دو پونتون بزرگ مکعبي شکل قرار دارند از اين جهت بر ديگر بارجهاي لوله گذار ارجحيت دارند.
همچنين عمق آبخور در نيروي مقاوم فوق موثر است. هر چه عمق آبخور بيشتر شود مقاومت در برابر يدک کشيدن بيشتر ميشود و پايداري بارج بيشتر ميشود. از طرفي اين نيرو به سرعت بارج نيز وابسته است(نمودار شکل 26). بطوري که در سرعت صفر مقدار اين نيرو برابر صفر است. هر چه سرعت بارج بيشتر شود اين نيرو نيز افزايش مييابد. از آنجا که در حين نصب خط لوله سرعت بارج مقدار ناچيزي است اين نيرو در روند نصب خط لوله تاثير چنداني ندارد و فقط زماني که لوله گذار ملزم به طي مسافت طولاني براي رسيدن به محل عمليات ميشود اهميت مييابد[17].

2-1-4) نيروها و ممانهاي ناشي از جريان آب
بارج لوله گذار نسبت به جريان آب دريا مقاومت نشان ميدهد. بر اين اساس نيروها و ممانهايي در هنگام وجود چنين جرياني بر بدنه بارج وارد ميشود. همچون بخش قبل اين نيروها از وجود سرعت نسبي بين بارج و آب سطح دريا شکل ميگيرد و ماهت هدروديناميکي پَسا دارد. بنابراين هنگامي که جريان آب در جهت 180 درجه(بخش 4-3 را ببينيد) باشد مقاومت بارج در برابر يدک کشيدن برابر نيروي وارد شده به بارج بر اثر جريان آب است. تفاوت اين دو در اين است که در حالت اول لوله گذاري انجام نميشود و بارج در حال حرکت است اما در حالت دوم بارج ثابت بوده و مشغول انجام عمليات ميباشد. بنابراين نيروهاي وارد شده در اينجا بر روند لوله گذاري اهميت زيادي دارد. تمامي فاکتورهاي موثر ذکر شده در بخش قبل(1-1-4) در اينجا نيز موثرند. جريان آب افقي ميتواند از هر جهتي به بارج حمله کند. در اين حين اگر جهت حمله با محور تقارن بارج (اگر وجود داشته باشد و مرکز دوران بارج نيز روي آن واقع شده باشد) موازي باشد هچ مماني به بدنه بارج وارد نميشود. در غير اين صورت يک ممان ياو (دوران بارج حول محور محلي Z″) به مرکز دوران وارد ميشود.
نيرو و ممان وارده به بارج ناشي از جريان آب تا حد زيادي توسط سيستم ايستايي بارج مهار ميشود. ارزيابي نيروها و ممانهاي مذکور ميتواند بر پايه تحقيقات زير انجام شود:
• تحقيق و آزمايش بر روي مدلهاي با بدنه مشابه بارج مورد نظر
• نتايج آزمايشات يدک کشيدن با يک پونتون متقارن
• مطالعات تونل باد با يک جسم سه بعدي
براي محاسبه نيرو ميتوان جريان وارده را به دو جهت طولي (موازي محور X″) و عرضي (موازي محور Z″) تقسيم کرد. سپس با متقارن دانستن بارج حول محورهاي ياد شده تحقيقات و محاسبات را فقط براي زواياي صفر تا 90 درجه انجام داد. اين فرضيات براي بارجهاي کاملاً مستطيلي صادق بوده و براي بارجهاي با هندسه شبيه به مستطيل تخمين خوبي است. با اين فرضيات مرجع 17 روابط تجربي زير را براي بارج صدف- صدرا 132 بدست آورده است:
• تعيين نيروهاي طولي ناشي از جريان آب:
نيروهاي طولي عمل کننده بر بارج لوله گذار بوسيله آزمودن نتايج بدست آمده از مدل تستهاي انجام شده بر شناورهاي با بدنه مشابه استخراج شدهاند. بر اين اساس نيروهاي مقاوم متناسب با فشار ديناميکي q در نظر گرفته شدند:


بطوريکه:
ρ جرم حجمي آب دريا بر حسب کيلوگرم بر متر مکعب استkg/m3 .
v سرعت نسبي بارج بر حسب متر بر ثانيه است[m/s].
مقدار نهايي نيروهاي طولي که ميتواند مقاومت بارج محسوب شود بوسيله فرمول داخلي زير تعيين ميشود:

بطوريکه:
q فشار ديناميکي بر حسب کيلوگرم متر بر مجذور ثانيه است .
cFx ضريب بدون بعد نيروي طولي است.
حجم جابجا شده کشتي برحسب متر مکعب است .
براي بارج هاي جعبه شکل ضريب cFx برابر 0.23 عدد مناسبي براي يک جريان منطبق بر محور طولي بارج است. براي جرياني که جهت آن از محور مرکزي طولي بارج دور ميشود، يک ضريب کاهش متناسب اعمال ميشود تا جهت جريان عرضي که نيروهاي طولي کاملاً از بين ميروند.
• تعيين نيروهاي عرضي ناشي از جريان آب:
براي بدست آوردن نيروهاي عرضي عمل کننده به بارج نتايج آزمايشات يدک کشيدن با يک پونتون متقارن مطالعه شدند. براي اين کار آزمايشات يدک کشيدن تحت زواياي متفاوت جريان انجام شده و اندازه گيري نيروها و ممان¬ها را در 6 درجه آزادي را شامل ميشوند.
مجدداً نيروها متناسب با فشار ديناميکي q هستند. همچنين نتايج نيروهاي عرضي با يک ضريب نيروي بي بعد cFy و سطح عرضي زير آب Ay (حاصل ضرب طول کشتي در عمق آبخور).
در نتيجه نيروهاي عرضي ميتوانند به کمک فرمول زير بدست آيند:

بطوريکه:
cFy ضريب بي بعد نيروي عرضي
Ay سطح زير آب عرضي
ضريب بي بعد نيرو داراي خصوصيات غير خطي نسبت به جهت نسبي جريان است که بايد با آزمايشات فوق بدست آيد.
• تعيين ممان هاي ياو ناشي از جريان آب:
بزرگاي ممان هاي ياو ايجاد شده توسط جريان آب که بر بدنه بارج لوله گذار عمل ميکند از نتايج آزمايش يدک کشيدن با پونتوني که قبلاً شرح داده شد و با کمک تحقيق تونل باد بوسيله جسم سه بعدي مشابه به هندسه بارج در زير آب بدست مي آيند. با توجه به فرضيات بيان شده قبلي در مورد تقارن بارج ممانهاي ايجاد شده در جهت طولي و عرضي کوچک بوده و قابل صرفه نظر هستند. براي جهات ديگر نيز بايد از آزمايشات فوق بهره گرفت.
نکته اينکه نيروها و ممانهاي بدست آمده فوق ناشي از جريان آب در آب عميق و نامحدود است.

3-1-4) نيروها و ممانهاي ناشي از وزش باد
همانطور که در بخش 3-4-3 بيان شد وزش باد باعث ايجاد نيرو و ممان در بارج ميشود. ارزيابي نيروها ممانهاي عمل کننده به بارج بر پايه تحقيق آزمايش مدل باد بر روي شناورهاي با نقشه مشابه عرشه صورت ميگيرد. در واقع اثرات باد مستقيماً به شکل سازه بالاي آب شناور مربوط ميشود. مرجع 17 نيروهاي طولي و عرضي و همچنين ممان ياو ايجاد شده بر اثر باد را به شکل زير ارائه ميکند:
نيروها و ممان هاي بوجود آمده بوسيله ضرايب بي بعد CXAF، CY و CN بدست مي آيند. اين ضرايب به نوبه خود از تحقيقات ذکر شده بالا بدست مي آيند:

بطوري که:

q هد ديناميکي جريان هواي نزديک شونده است.
ROH جرم حجمي هوا است 1.2255 kg/m3.
AF سطح تصوير شده جلويي است M2.
AL سطح تصوير شده سطح جانبي است M2.
Loa طول کلي است (M).
نيروي طولي Fx و نيروي عرضي Fy و ممان ياو N از فرمولهاي زير بدست ميآيند.

4-1-4) نيروي ناشي از موجها
همانطور که در بخش 3-3 گفته شد موجها حرکات ديناميکي به بارج لوله گذار تحميل ميکنند. در واقع حرکات مذکور باعث بوجود آمدن شتاب (و شتاب زاويهاي) و بنابراين نيرو (و ممان) در شش درجه آزادي بارج ميشوند. از آنجا که بارجها معمولاً بعنوان اجسام صلب مدل ميشوند(بخش بعدي را ببينيد) نيروها و ممانهاي وارده به بدنه بارج ناشي از موجها اهميت زيادي ندارند. در عوض دامنه حرکات ايجاد شده و شتاب آنها اهميت زيادي در روند عمليات لوله گذاري دارند. بنابراين در بررسي اثر امواج حرکات ايجاد شده و تبعات آن براي خط لوله بررسي ميشود. حرکات شناور در امواج بوسيله عملگرهاي دامنه پاسخ جابجايي (RAOs) تعريف ميشوند. هر RAO جابجايي يا به اختصار RAO، شامل يک جفت از اعدادي است که پاسخ شناور را براي يک درجه آزادي خاص در يک جهت موج و فرکانس خاص تعريف ميکند. دو عدد فوق عبارتند از يک دامنه که دامنه حرکت شناور را به دامنه موج مرتبط ميسازد و يک زاويه فاز که زمان بندي حرکت شناور نسبت به موج را تعريف ميکند. به عنوان مثال، RAO حرکت سرج برابر 0.5 در يک موج به ارتفاع 4 متر( و بنابراين دامنه 2 متر) به اين معني است که شناور داراي حرکت سرج بين 1+ و 1- متر از موقعيت استاتيکياش خواهد بود و RAO دوران پيچ برابر 0.5 درجه در متر در موج مذکور به اين معني است که شناور داراي دوران پيچ بين 1+ و 1- درجه خواهد بود. از آنجا که شناور 6 درجه آزادي دارد: 3 درجه آزادي تغيير مکان طولي و 3 درجه آزادي دوراني، بنابراين دادههاي RAO شامل 6 جفت عدد (دامنه+ فاز) براي هر دوره تناوب و جهت است. دامنه RAO و فاز براي انواع مختلف شناور، و براي يک نوع مشخص از شناور با عمق آبخور، جهت موج، سرعت پيشروي و فرکانس موج تغيير ميکند. بدست آوردن مقادير دقيق براي دامنه و فاز RAOها بسيار مهم است اگر مدل ديناميکي بايست مدل شود. RAOها ميتوانند بوسيله آزمايشات مدل و يا از طريق نرمافزارهاي ويژه و با تحليل حرکت بدست آيند. دادهها ممکن است در دو شکل جداول عددي يا نمودارهاي گرافيکي ارائه شوند[18]. علاوه بر دادههاي واقعي RAO مسائل زير بايد مشخص شود:
• مختصات مبدأ RAO و مبدأ فاز- فرض ميشود که 2 مبدأ بر مرکز حرکت بارج منطبق باشند.
• سيستم استفاده شده براي تعريف حرکت موجها- مطابق با بخش 2-4-3
• سيستم مختصات استفاده شده براي تعريف حرکت بارج- مطابق با بخش 3-3
• آيا واحد داده هاي RAO دوراني برابر درجه دوران در متر ارتفاع موج (/m°) است يا برابر دوران در واحد شيب موج(بي بعد) – دراينجا واحد اول در نظر گرفته ميشود.
• مرجع زمان براي زاويه فازها و قرارداد استفاده شده در گزارش(به عبارتي فازها بصورت تقدم يا تاخير گزارش ميشوند.)
در مرجع 14 (offpipe) حرکات ششگانه به صورت صريح و به عنوان توابعي از زمان، به وسيله حالت موج و عملگر‌هاي دامنه پاسخ (RAOs) حركت بارج لوله گذار تعريف مي‌شوند. حالتهاي موج مي‌تواند در دو وضعيت (1) موج منظم تنها و (2) يك طيف موج دو بعدي ، در داده هاي ورودي برنامه مشخص شود. بنا بر تعريف اين مرجع عملگر‌هاي دامنه پاسخ حركت لوله گذار منحني‌هايي هستند كه دامنه، زاويه فازي و فركانس‌هاي هر كدام از حركات شش‌گانه بارج لوله گذار را به عنوان توابعي از دامنه، زاويه فازي و فركانس موج‌هاي تجربه شده به وسيله بارج تعيين مي‌كنند.

هنگامي كه يك موج منظم تعيين مي‌شود RAOهاي حرکت لوله گذار در ورودي فقط براي فركانس موج تنها داده مي‌شوند در حالي که هدينگ بارج(قبل از اعمال موج) در نظر گرفته مي‌شود. هنگامي كه يك طيف موج استفاده مي‌شود، RAOها بايد درشكل جدول وارد شوند تا محدوده كامل فركانس‌هاي موجود درطيف را پوشش دهند.
براي يك موج منظم، هم پروفيل سطح موج و هم حركات ايجاد شده در لوله گذار در نتيجه موج، سينوسي فرض مي‌شوند. دوره تناوب هر كدام از حركات ششگانه لوله گذار برابر با دوره تناوب موج فرض مي‌شود. بنابراين هر كدام از حركات شش‌گانه لوله گذار به عنوان تابعي از زمان بوسيله معادله‌اي به فرم زير داده مي‌شوند:

به نحوي كه:
R: RAO حركت لوله‌گذار ارزيابي شده در فركانس‌ω
H: ماكزيمم ارتفاع موج از نقطه اوج تا پست ترين نقطه
ω: فركانس دايروي موج (ثانيه/ راديان)
t: زمان (ثانيه)
Φ: زاويه فاز حركت، ارزيابي شده در فركانس ω
حركات ديناميكي بارج در مركز حركت آن تعريف مي‌شوند (بخش 1-1-3 را ببينيد).
براي يك موج منظم، پروفيل سطح موج در مركز حركت لوله‌گذار بوسيله يك معادله به شكل زير داده مي‌شود:

نكته اينكه هر كدام از حركات بارج كه توسط معادله1-4 تعيين مي‌شوند متناسب با ارتفاع موج داده شده بوسيله معادله 2-4 است و ثابت تناسب بوسيله عملگر دامنه پاسخ R داده مي‌شود. همچنين توجه كنيد كه بطور كلي حركات بارج بيرون از فاز با پروفيل موج هستند. اختلاف فاز بين هر حركت و پروفيل موج بوسيله زاويه فازΦ داده مي‌شود.
يك طيف موج دو بعدي بوسيله تعداد محدودي از مولفه موج هاي گسسته بيان مي‌شوند. فرض ميشود كه هر كدام از اين مولفه موج ها همانند تك موج منظم ملاحظه شده در بالا سينوسي باشند. پاسخ بارج لوله‌گذار به يك طيف موج بوسيله جمع پاسخ‌هايش به هر كدام از مولفه موج هاي فردي استفاده شده براي بيان طيف (سوپر پوزيشن خطي) بدست مي‌آيد. پاسخ بارج به هر مولفه موج سينوسي فرض مي‌شود که دوره تناوب آن برابر با دوره تناوب مولفه موج است. بنابراين براي طيف موج، هر كدام از حركات ششگانه بارج بوسيله يك معادله به شكل زير داده مي‌شود:

بطوريكه:
ωi: فركانس i امين مولفه موج
Ri: RAO براي حركت ارزيابي شده در فركانس ωi
Hi: ماكزيمم ارتفاع موج براي i امين مولفه موج
Φi: زاويه فاز حركت ارزيابي شده در ωi
براي يك طيف موج، پروفيل سطح موج در مركز حركت بارج، بوسيله يك معادله به شكل زير داده مي‌شود:

نکته اين که RAOهاي تعريف شده در بالا، همچنين ميتواند براي بيان بار(نيرو وممان) وارده بر يک شناور ناشي از موجها بکار رود به جاي آنکه مستقيماً حرکت آن را مشخص کند. در اين مورد مقدار دامنه، بزرگاي نيرو(در سرج، سواِي و هو) يا ممان(در جهات رُل، پيچ يا ياو) را بيان ميکند؛ در حالي که معناي فاز تغييري نميکند. به اين نوع RAO عملگر دامنه پاسخ نيرو ميگويند. بطور مثال، RAO نيروي سرج برابر 300 کيلونيوتن بر متر در موجي به ارتفاع 6 متر (و بنابراين دامنه موج برابر 3 متر) به اين معني است که شناور يک نيروي سرج هارمونيک متغير از 900- تا 900+ کيلونيوتن را در هر سيکل موج تجربه ميکند و RAO ممان پيچ برابر 106 کيلونيوتن متر بر متر(kN.m/m) در موج مذکور به اين معني است که شناور يک ممان متغير حول محور Y″ (پيچ) بين 106×3+ و 106×3- کيلونيوتن متر را تجربه خواهد کرد.
RAOهاي نيروي موج نميتوانند بطورکامل حرکت شناور را تعريف کنند، آنطور که RAOهاي جابجايي اين کار را انجام ميدادند. RAOهاي نيرو صرفاً نيرو و مماني را که موج بر شناور وارد ميکند تعريف ميکنند. بنابراين، ميتوان از اين نيرو و ممان به همراه ديگر نيروهاي وارد بر بارج و اطلاعات جرم و اينرسي بارج، حرکت آن را از معادله حرکتش تعيين کرد[18]. قرارداد علامت هر 2 نوع RAO يکسان است.

5-1-4) نيروهاي وارده از طرف خط لوله
همانطور که در بخش 2-2 گفته شد، در هنگام عمليات لوله گذاري ابتداي خط لوله بر روي رمپ لوله گذاري در بارج درگير است. لوله بوسيله تکيه گاههاي موجود در رمپ مذکور نگهداري ميشود. مقدار اين نيروهاي تقريباً عمودي(مولفه افقي عکس العمل تکيه گاه ناچيز است) به طول دهانه لوله بر روي بارج و طول دهانه معلق لوله گذاري و زاويه رمپ و تريم بارج بستگي دارد و توسط نرم افزارهاي تحليلي بدست ميآيد. ضمناً بارج بوسيله کشندهها(يا وينچ A/R) و به کمک سيستم ايستايي خود نيروي کششي نسبتاً بزرگي به خط لوله وارد ميکند. کشيدن لوله براي محدود کردن تنش خمشياش مطلوب است. مقدار اين نيرو گاه از 100 تن يبشتر است. در حضور نيروهاي ديناميکي نيروي کششي وارده ثابت نخواهد بود و يک محدوده از نيرو را تشکيل ميدهد. عکس العمل اين نيرو برابر و در جهت مخالف آن به بارج وارد ميشود. مقدار اين نيرو بسته به مشخصات خط لوله، ظرفيت کشنده، عمق لوله گذاري و شرايط دريايي به هدف بهنه سازي تنش در لوله تعيين ميشود و محدوده دقيق تغييرات آن ميتواند در آناليز لوله گذاري توسط نرمافزارهاي تخصصي مربوطه از جمله Offpipe تعيين شود(بخش را ببينيد).
6-1-4) نيروهاي وارده از طرف استينگر
استينگر در محل اتصال خود به بارج لوله گذار که به قلاب استينگر معروف است به بارج نيرو وارد ميکند. قلاب استينگر معمولاً شامل يک لولا در هر طرف مقطع عرضي استينگر است. منشاء اين نيروها عبارت است از نيروهاي وارده به استينگر که در بخش بعدي بيان ميشود و حرکات بارج که قبلاً بيان شده است. در واقع قلاب استينگر محلي براي انتقال و تخليه نيرو از استينگر به بارج است. مقدار اين نيروها بايد از تحليل اندرکنش ميان بارج و استينگر بدست آيد.
7-1-4) نيروهاي وارده از طرف سيستم ايستايي- کابلهاي متصل به لنگر
نيروهايي که تا اينجا بيان شد را ميتوان نيروهاي خارجي اعمال شده به بارج دانست. در اثر نيروهاي فوق بارج از حالت تعادل خارج شده و سيستم ايستايي بارج وظيفه متعادل ساختن آن را به عهده دارد. در اين راستا از طرف اين سيستم نيروهاي تکميلي به بارج وارد ميشود. در سيستم ايستايي سنتي نيروهاي متمرکز کششي که در کابلها بوجود ميآيد، اين نقش را بازي ميکند. مقدار اين نيروها از آناليز مهارسازي بدست ميآيد. در آناليز مهارسازي شناور، ابتدا تمامي نيروهاي فوق الذکر بر بارج وارد ميشوند و همچنين خط لوله را نيز ميتوان مثل يک کابل مهار سازي با نيروي معلوم در نظر گرفت و از سختي خمشي آن چشم پوشيد[17]. سپس با تحليل استاتيکي و ديناميکي عکس العمل کابلهاي ايستايي و دامنه حرکات لوله گذار (براي بدست آوردن RAOها) را بدست آورد. آناليز مذکور توسط نرم افزارهاي خاصي که به اين منظور نوشته شدهاند انجام ميشود.

2-4) نيروهاي وارد بر استينگر
تعريف مقدماتي استينگر در بخش 3-1-2-2 ارائه شد. گفته شد که استينگر وظيفه نگهداري خط لوله در خروج از بارج تا نزديکي نقطه عطف لوله را دارد. همچنين گفته شد که سازه استينگر معمولاً خرپايي است. معمولاً تمام يا بخش عمدهاي از اين خرپا در آب غوطهور است. بنابراين استينگر داراي اندرکنش با بارج و خط لوله و همچنين آب دريا و حرکات و فشارهاي ناشي از آن است. از اينرو نيروهاي وارده به استينگر را ميتوان به بخشهاي زير تقسيم کرد:
1-2-4) وزن استينگر و شناوري آن
وزن استينگر شامل وزن المانهاي فلزي، جعبه غلطکهاي تکيه گاههاي لوله، پونتونها يا مخازن آب سنگين کننده (که ميتواند خود المان باشد) در صورت وجود و وزن آب سنگين کننده (بالاست) ميباشد. اگر بخشي و يا تمام استينگر در داخل آب باشد، وزن المانها و تجهزات داخل آب استينگر بنا به قانون ارشميدس و به ميزان نيروي شناوري ارشميدس کاهش خواهد يافت. از آنجا که فلسفه وجود استينگر سبک کردن وزن لوله براي حفظ انحناي مجاز آن ميباشد، استينگرها معمولاً داراي يک يا چند مخزن حجيم توخالي براي تامين نيروي شناوري لازم در المانهاي خود ميباشند(شکل 31). با وجود اين مخازن نيروي شناوري استينگر خيلي بيشتر از وزن آن در خشکي خواهد بود. بطوريکه اگر خط لوله وجود نميداشت استينگر در سطح آب شناور ميشد. آب سنگين کننده نيز مقدار آبي است که براي تنظيم نيروي شناوري استينگر به مخازن فوق تزريق ميشود. البته سيستمهاي ديگري نيز براي نگهداري استينگر در موقعيت لازم وجود دارد. از آن جمله ميتوان به استينگر شناور صدفـصدرا 132 اشاره کرد(شکل 2). در اين سيستم به جاي استفاده از مخازن توخالي(پونتونها) از 2 کابل متصل به بارج استفاده شده است و مزيت آن هم کاهش حجم و وزن استينگر است.


.                                                                         شکل 31) نمونه يک استينگر داراي پونتون
2-2-4) نيروهاي اينرسي و پساي هيدروديناميکي ناشي از حرکات بارج
نيروها و حرکتهاي وارد بر بارج در قسمت قبل تشريح شد. اگر نتيجه شتابها و حرکات بدست آمده در بخش پيش را به مرکز حرکت بارج وارد سازيم، با روايط ساده ميتوان شتاب ها و حرکات بوجود آمده در محل قلاب استينگر را محاسبه کرد. اين شتابها و حرکات باعث ايجاد نيروهاي اينرسي و پسا در استينگر ميشود.
3-2-4) نيروهاي هيدروديناميکي ناشي از موج ها و جريان آب
نيروهاي هيدروديناميکي عمل‌کننده به خط لوله و استينگر ناشي از جريان ثابت و موج‌ها و همچنين حرکات ديناميکي خط لوله و استينگر با استفاده از معادلات موريسون محاسبه مي‌شوند شوند[19]. معادله موريسون عبارت است از:


جايي که:
Q: نيروي هيدروديناميکي عمل‌ کننده بر خط لوله يا استينگر بر واحد طول
ρ: دانسيته آب دريا
d: سطح تصوير شده خط لوله يا استينگر بر واحد طول
Cd: ضريب پسا
Vf: سرعت ذره آب ناشي از موج و يا جريان كه عمود بر محور طولي خط لوله يا استينگر است.
Vp: سرعت خط لوله يا استينگر در جهت عمود بر محور طولي‌اش.
Af: شتاب ذره آب ناشي از موج عمود بر محور طولي خط لوله يا استينگر.
a: حجم جابه‌جا شده خط لوله در متر طول.
Ap: شتاب خط لوله يا استينگر در جهت عمود بر محور طولي‌اش.
Ca: ضريب جرم اضافه شده.
نيروي هيدروديناميک Q عمل‌کننده به خط لوله يا استينگر بر پاية مؤلفه‌هاي سرعت و شتابي است که عمود بر محور طوليشان هستند. مؤلفه‌هاي سرعت و شتاب موازي محورهاي طولي خط لوله و استينگر صرفه‌نظر مي‌شوند. همچنين فرض مي‌شود نيروي هيدروديناميکي نتيجه شده Q در جهتي که عمود بر محور طولي خط لوله و استينگر است،‌ عمل کند. مؤلفه نيروي هيدروديناميکي که موازي محور طولي خط لوله و استينگر است صرفه‌نظر مي‌شود.
اولين جمله در معادله موريسون نيروي پساي هيدروديناميک است که به خط لوله و استينگر عمل مي‌کند. اين نيروي پسا متناسب با مربع سرعت نسبي بين خط لوله يا استينگر و آب محيط است. دومين جمله نيروي اينرسي اعمال شده به خط لوله يا استينگر به وسيله شتاب آب محيط است. اين نيروي اينرسي متناسب با شتاب ذره آب، بيان شده در سيستم مختصات سراسري ثابت مي‌باشد. سومين جمله نيروي اينرسي نتيجه شده از افزايش مؤثر در جرم خط لوله يا استينگر (جرم اضافه شده) به دليل وجود آب محيط است.اين نيروي اينرسي متناسب با شتاب خط لوله يا استينگر در مختصات سيستم سراسري ثابت است[14].
4-2-4) ممانهاي خمشي (پيچ و ياو) و نيروهاي برشي ناشي از دهانه آزاد لوله در نقطه برخيزش
5-2-4) ممان خمشي مخالف(فقط پيچ) از دهانه Cut-off بر روي رمپ
6-2-4) نيروي توزيع شده بر روي غلطکها
استينگر به دليل نيروي شناوري زياد خود تمايل به حرکت به سطح آب دارد. بنابراين خط لوله در محل غلطکها (حداقل يک غلطک) با استينگر در تماس است. نتيجه اين تماس نيرويي عمود بر محور خط لوله و شعاع غلطک در نقطه تماس است (اگر از اصطکاک خط لوله روي استينگر صرفه نظر شود). نيروي فوق را در حالت استاتيکي و در غياب جريان آب و نيروها ميتوان به دو بخش تقسيم کرد. بخش اول ناشي از وزن دهانه لوله روي استينگر و بخش دوم ناشي از کشش خط لوله است. ميزان سهم هر يک از اين بخشها بستگي به زاويه شيب استينگر در آن نقطه دارد. بطوريکه اگر شيب استينگر کم باشد سهم وزن بيشتر ميشود و هر چه به سمت غلطک هاي انتهاي استينگر پيش مي رويم سهم وزن لوله کمتر ميشود. اما بطور کلي نيروي وارده به غلطکهاي استينگر عمدتاً ناشي از کشش در لوله خم شده و بطور جزئي ناشي از وزن لوله ميباشد[21]. مقدار دقيق نيرو بايد از تحليل مدل کامل لوله گذاري شامل بارج، استينگر، خط لوله و بستر دريا بدست آيد. براي اين کار نرم افزارهاي تخصصي تجاري مانند Offpipe موجود ميباشند.

3-4) نيروهاي وارد بر خط لوله
1-3-4) وزن لوله
با توجه به جنس لوله و نوع پوششهاي موجود بر روي آن وزن لوله شامل 4 قسمت ميشود:
• وزن لوله فولادي(kg/m):

بطوري که:
γst وزن مخصوص فولاد لوله(kg/m3)
De و Di به ترتيب قطر خارجي و داخلي سطح مقطع لوله فلزي (m)
• وزن پوشش ضد خوردگي(kg/m):

بطوري که:
γac وزن مخصوص پوشش ضد خوردگي(kg/m3)
Dac قطر خارجي لوله با احتساب ضخامت پوشش ضد خوردگي (m)
• وزن پوشش بتنيkg/m:


بطوري که:
γc وزن مخصوص بتن مصرفيkg/m3
Dc قطر خارجي لوله با احتساب پوشش بتني (m)

نوشته های مرتبط

یک نظر برای لوله گذاری در دریا (بخش دوم)

  1. احسان زندی قشقایی
    شهریور ۲۷, ۱۳۹۱

    کاش در مورد لوله های خود سکو هم توضیحات گاملی ارایه می دادید.

    رتبه دهید: Thumb up 1 Thumb down 0

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *